9.3.4. Расчет пружины клапана

Пружина клапана должна удерживать клапан в закрытом положении с силой Ро, а также обеспечивать кинематическую связь между клапаном и толкателем силой Р_пр, когда отрицательная сила инерции Рj отрывает клапан от кулачка (рис. 9.29).

Условие неразрывности кинематической связи кулачка с элементами привода P_пр = K₃P_j, где K₃— коэффициент запаса пружины, учитывающий возможное превышение номинальной частоты вращения двигателя от п_н до п_max и вибрацию витков пружины. Величина К₃ находится в пределах К₃= 1,5...2,25. Меньшие значения относятся к ДВС, имеющим ограничитель номинальной частоты вращения.

Для пружины с линейной характеристикой зависимость изменения силы пружины от подъема клапана может быть записана в виде, где — жесткость пружины, Н/м.

По известным величинам можно определить необходимую жесткость пружины:

/

Тогда предварительная деформация пружины , а максимальная Необходимо отметить, что пружина имеет наименьшие размеры при . Для автотракторных двигателей данное отношение обычно находится в пределах 1,6…3,2.

В связи с тем что ускорение клапана связано с углом поворота кулачка нелинейной зависимостью, коэффициент запаса пружины К будет также изменяться по углу поворота и его текущее значение на участке движения клапана с отрицательным ускорением можно определить как K₃=P_np/P_j. Поэтому для выбора С_пр с приемлемым изменением из графиков зависимостей и от угла поворота кулачкового вала нужно определить минимальное значение и соответствующие ему , и , а затем вычислить (рис. 9.29). Изменяя Р₀, можно добиться такой ситуации, когда Тогда .

При использовании в механизме двух пружин на клапан максимальная сила, нагружающая наружную пружину, определяется как часть общей потребной упругой силы , а максимальная сила, нагружающая внутреннюю пружину,. Обычно для автотракторных двигателей =0,55...0,65. Варьируя силы наружной и внутренней пружин можно получить приемлемые величины , а также минимизировать геометрические параметры пружин.

9.3.5. Определение размеров пружины клапана

Проектирование пружины производят в такой последова- тельности:

● определяют геометрические параметры пружины. 1. Задают индекс и коэффициент формы пружины (χ), учи- тывающий разность радиусов кривизны наружной и внутренней поверхностей витка, от чего зависит распределение напряжений в их сечении (максимальные напряжения возникают на внутренних волокнах сечения витка), χ = (4с_пр+2)/(4с_пр — 3). Для автомобильных ДВС с_пр = 8..12и χ =1,1...1,2.

2. По статистическим данным условий размещения задают средний диаметр пружины D_пр (рис. 9.30). Для автотракторных ДВС

D_пр = (0,8...0,9)d

3. По известному допустимому напряжению (для пружинных сталей [τ_т] = 350...600 МПа) вычисляют диаметр проволоки:

Расчетное значение округляют до ближайшей большей вели- чины по сортаменту проволоки: 2,8; 3,0; 3,2; 3,5; 3,8; 4,0; 4,2; 4,5; 4,8; 5,0; 5,5; 6,0 мм.

4. Производят проверку индекса пружины и, если это необходимо, расчет выполняют повторно.

5. Определяют количество рабочих витков

которое затем округляют до целого или кратного 0,5.

6. Вычисляют геометрические параметры максимально сжатой пружины.

Шаг рабочих витков пружины де — минимальный зазор между рабочими витками пружины при ее максимальной деформации; =(0,10...0,15) , что составляет 0,5...0,9 мм.

Минимальная длина пружины где — количество опорных витков, принимаемое в пределах 2...3.

7. Определяют параметры пружины при закрытом клапане: длина пружины

шаг витков пружины

8. Рассчитывают параметры пружины в недеформированном свободном состоянии:

длина пружины При во избежание потери продольной устойчивости пружину устанавливают в направляющую гильзу-стакан;

шаг витков пружины (шаг навивки)

9. Производят расчет напряжений от кручения в сечении проволоки пружины.

1. Вычисляют максимальные и минимальные напряжения кручения рабочего витка пружины:

и

2. Определяют среднее и амплитудное значения напряжений:

,

Рассчитывают коэффициент запаса где — допускаемые напряжения. Величина должна находиться в пределах 1,2...2,0.

3. Выполняют проверку пружины на резонанс.

Условие отсутствия резонансных колебаний таково: , где — первая частота собственных колебаний пружины; — частота вращения распределительного вала.

Данные частоты вычисляют по формулам

и

где — масса рабочих витков пружины; — модуль упругости второго рода при сдвиге материала проволоки. Для пружинных сталей = (7,6...8,2)10⁴ МПа, = 7800...7900 кг/м³. Значения и — в мм.

Последовательность определения геометрических параметров и расчета клапанного механизма с двумя пружинами такая же, как и для одной.

Достаточность радиальных зазоров между направляющей втулкой и внутренней пружиной, внутренней и наружной пружинами достигается при выполнении следующих условий:

Указанные зазоры необходимы для обеспечения центровки пружин и обеспечения независимости их работы.